CN112910785B - 一种基于ndn的边缘计算路由表建立与使用方法 - Google Patents
一种基于ndn的边缘计算路由表建立与使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，属于计算机网络中的边缘计算技术领域。所述方法依托的命名数据网络包含若干节点；其中，节点包括边缘计算服务器、用户、路由器以及中心服务器。该方法在路由器中设计了一个边缘计算路由表，建立函数计算与多个可承载计算的边缘计算服务器间的路由映射；针对分布式边缘计算服务器，实现计算资源的主动通告；针对用户计算请求，路由器查询边缘计算路由表，选择最合适的边缘计算服务器卸载计算任务。所述方法进一步优化了计算资源发现机制，在路由器中建立边缘计算路由表，实现用户计算任务的最优卸载，进一步降低数据获取时延，实现高效、快速的边缘计算服务。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，属于计算机网络中的边缘计算技术领域。
背景技术
边缘计算，是在靠近用户或数据源头的网络边缘侧，采用融合网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开发平台，就近为用户提供边缘化智能服务，满足数字行业在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。由于靠近用户，边缘计算服务器可以直接提供服务从而保证较低的延迟；同时广泛分布的边缘服务器在一定程度上降低了云服务器能耗，让应用程序可以更加高效、快速地运行。
目前边缘计算的实现方式大多是依托边缘计算服务器，用户向边缘计算服务器卸载计算任务时，需要首先确定相应计算资源所在的服务器位置，然后将数据通过网络传输到服务器，由服务器运行相关函数计算并返回结果。目前边缘计算在计算资源发现和计算任务卸载方面存在的不足之处如下：
(1)在计算资源发现方面，计算资源与边缘计算服务器的映射关系由网络管理，终端用户仅解析查询计算任务，确定与之对应的边缘计算服务器地址并发送计算任务。路由器及用户无法自主发现网络中可用的计算资源；
(2)在计算任务卸载方面，由于计算资源与边缘计算服务器的对应关系被绑定，用户根据计算任务向特定的服务器卸载计算任务，在此机制下，对应每次计算任务的目标服务器单一，用户无法在多个边缘计算服务器中选择最合适的节点运行计算任务卸载。
上述不足的根源是目前边缘计算采用基于TCP/IP的网络架构，使用基于IP地址的寻址模式和端到端的数据推送方式，即以服务器为中心的通信模式。这种以终端为中心、位置为寻址的通信模式不能支撑以服务为中心的边缘计算业务需求，无法实现计算资源检索以及面向多服务器的计算任务规划调度。
相比以服务器为中心的通信模式，命名数据网络(Named Data Networking，NDN)以数据内容为中心，设置内容名称为寻址方式，并基于内容名称建立路由表进行通信，解耦了数据内容与位置的关系。NDN转发路由表的建立是通过内容生产者向网络中路由器通告本节点持有数据内容的名称，路由器根据数据内容名称以及接收通告信息的接口，在转发信息库FIB(Forwarding Information Base)中建立内容名称路由条目，为后续的数据内容请求提供转发依据。FIB路由条目遵循内容名称与转发接口的“一对多”映射，若路由器从多个接口收到相同名称的内容通告，表明有多个节点能够提供该内容名称的数据，则向该内容名称所对应的路由条目中添加多个转发接口，从而使NDN网络具有多径路由的功能。
NDN网络的传输机制是通过用户发送兴趣包驱动内容生产者回复数据包的方式进行数据通信，且兴趣包和数据包中都含有一个内容名称来标识用户需要获取的数据内容。当路由器转发来自用户的兴趣包时，首先查询对应名称的路由条目，并从该条目下的多个转发接口中选择最合适的接口转发数据请求。NDN将兴趣包流入的接口称为“下游接口”，兴趣包流出的接口称为“上游接口”，NDN节点的待定兴趣表PIT(Pending Interest Table)记录当前节点转发的兴趣包的内容名称及其对应的“下游接口”，保证接收数据包能按原路返回到用户；
这种由生产者发布内容名称，路由器建立路由表包含指向多个内容源的多条转发路由的方式可以用于边缘计算的计算资源发现和计算任务卸载。能够实现网络中计算资源主动发现以及计算任务最优卸载。
综上所述，目前分布式边缘计算领域缺少一种边缘计算路由表建立和计算任务最优卸载方法，本发明提出一种边缘计算路由表建立与使用方法，实现计算资源主动通告，实现高效、快速的边缘计算服务。
发明内容
本发明的目的是针对TCP/IP边缘计算在计算资源发现和计算任务卸载方面存在“路由器及用户无法自主发现网络中的可用计算资源”以及“路由器无法在多个边缘计算服务器中选择最合适的目标卸载计算任务”的技术缺陷，提出了一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，该方法在路由器中设计了一个边缘计算路由表，建立函数计算与多个可承载计算的边缘计算服务器间的路由映射；针对分布式边缘计算服务器，实现计算资源的主动通告；针对用户计算请求，路由器查询边缘计算路由表，选择最合适的边缘计算服务器卸载计算任务。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
所述边缘计算路由表建立与使用方法依托的命名数据网络包含若干节点；其中，节点包括边缘计算服务器、用户、路由器以及中心服务器。
所述边缘计算路由表建立与使用方法，包括：1)设置网络中心服务器并通告全网；2)各路由器建立本地链路状态数据库并告知中心服务器；3)中心服务器建立全网拓扑结构图并分发给所有路由器；4)每个路由器建立一个边缘计算路由表；5)边缘计算服务器广播计算通告兴趣包声明本服务器能够运行函数计算的名称和计算代价；6)路由器计算向边缘计算服务器卸载计算任务的转发代价并向边缘计算路由表中添加条目；7)用户发送计算任务兴趣包、路由器接收并查询边缘计算路由表以及选择最优服务器卸载计算任务；8)边缘计算服务器获取运行函数计算所需的参数文件；9)边缘计算服务器运行函数计算并将计算结果数据包回传给用户，具体包括以下步骤：
步骤1、设置网络中心服务器并通告全网，具体包括如下子步骤：
步骤1.1在网络中心区域选定中心服务器；
其中，中心服务器的作用是汇总网络全局拓扑，并在数据通信过程中作为路由器使用；
步骤1.2中心服务器向全网广播认证兴趣包，所有收到认证兴趣包的节点在其FIB表中添加一条关于中心服务器的路由条目，该路由条目的转发接口为收到认证兴趣包的接口；
其中，接口是指硬件接口，即主机或路由器的对外接口，通过接口接入其他硬件设备；所述其他硬件设备是相对于当前节点主机的硬件设备，即除当前节点主机以外的硬件设备；
所述步骤1.2用于保证网络中所有除中心服务器以外的节点对中心服务器是可达的；
步骤2、各路由器建立本地链路状态数据库并告知中心服务器；
其中，告知中心服务器即向中心服务器发送定位兴趣包；
步骤2，具体包括如下子步骤：
步骤2.1网络中每两个相邻路由器互相向对方发送一次问候兴趣包；
其中，相邻路由器的含义是“如果两个路由器之间的通信不需要经过另一个路由器，那么这两个路由器就是相邻的”；
其中，所述问候兴趣包中的内容是“本路由器的名称以及向本路由器发送数据的路由代价”；
所述步骤2.1用来确定网络中相邻路由器的名称及链路状态；
步骤2.2各路由器根据收到的所有问候兴趣包，记录本路由器的所有相邻路由器的名称以及对应链路的路由代价，形成本路由器的链路状态数据库；
其中，链路状态是指“本路由器的相邻路由器以及对应链路的路由代价”，链路状态数据库的内容包括本路由器的所有相邻路由器的名称以及对应链路的路由代价；
步骤2.3网络中除中心服务器以外的所有路由器向中心服务器发送定位兴趣包；
其中，定位兴趣包的内容是“本路由器名称、本路由器的所有相邻路由器名称以及对应链路的路由代价”即本地路由器的链路状态数据库的所有信息；
步骤3、中心服务器建立全网拓扑结构图并分发给所有路由器，具体包括如下子步骤：
步骤3.1中心服务器汇总收到的所有定位兴趣包，建立全网拓扑结构图；
其中，全网拓扑结构图的内容包括“本网络中所有路由器的名称及路由器之间的连接关系和对应链路的路由代价”；
步骤3.2中心服务器以“全网拓扑结构图”为内容封装拓扑数据包，并向所有路由器广播发送封装好的拓扑数据包；
步骤3.3各路由器收到拓扑数据包后，获取全网拓扑结构图并保存；
所述步骤3.2和步骤3.3用于保证网络中所有路由器都能够获得全网拓扑结构图；
步骤4、每个路由器建立一个边缘计算路由表；
其中，“边缘计算路由表”，包括“函数名称、能运行该函数的边缘计算服务器名称、到达该边缘计算服务器的本地转发接口和相应转发代价”；
对应每项函数，网络中存在多个能运行该函数的边缘计算服务器，因此边缘计算路由表中对应存在多个转发接口，对应每个边缘计算服务器的转发接口必须声明其转发代价；
步骤5、边缘计算服务器广播计算通告兴趣包声明本服务器能够运行函数计算的名称和计算代价，具体为：边缘计算服务器针对本服务器可运行的每项函数计算，向网络中所有的路由器广播发送一个或多个“计算通告兴趣包”，即：若边缘计算服务器能够运行多项函数计算，则该服务器发送多个“计算通告兴趣包”，否则边缘计算服务器只能运行一项函数计算，则该服务器发送一个“计算通告兴趣包”；
所述边缘计算服务器是融合数据路由、计算以及存储能力为一体的高级路由器；
其中，“计算通告兴趣包”的内容包括“本边缘计算服务器的名称、本边缘计算服务器能运行计算的函数名称以及运行该函数的计算代价Cc”；
其中，Cc取值范围为1～1000；
步骤6、路由器计算向边缘计算服务器卸载计算任务的转发代价并向边缘计算路由表中添加条目，具体包括如下子步骤：
步骤6.1路由器从计算通告兴趣包中获取函数名称及对应的边缘计算服务器名称，结合本路由器中存储的全网拓扑结构图，确定本路由器和边缘计算服务器的位置，计算从本路由器出发，转发函数请求到达边缘计算服务器的转发接口及对应转发代价；
其中，转发代价通过计算路由代价Cr以及Cf＝Cr+Cc实现；
Cf代表转发代价，其取值范围为0～2000，Cr代表将函数请求从本地路由器转发到边缘计算服务器的路由代价，其取值范围为0～1000；
其中，计算路由代价Cr，根据全网拓扑结构图中节点连接情况和链路路由代价，使用Dijkstra最优路径算法计算得到；
所述Cc指的是计算通告兴趣包中声明的边缘计算服务器运行该函数的计算代价；
步骤6.2路由器向本地的边缘计算路由表中添加关于步骤6.1获取的“函数名称”对应的函数和边缘计算服务器的路由条目；
其中，新增路由条目中“函数名称”即为计算通告兴趣包中声明的函数名称；“边缘计算服务器名称”即计算通告兴趣包中声明的边缘计算服务器名称；“本地转发接口”即Dijkstra算法计算得到的转发路径在本路由器的转发接口；“转发代价”即步骤6.1中计算得到的转发代价Cf；
特别注意的是，若路由器收到具有相同函数名称但边缘计算服务器名称不同的多个计算通告兴趣包，则需向该函数名称代表的路由条目中添加多个边缘计算服务器名称，并计算相应的转发代价，添加转发接口；
步骤7、用户发送计算任务兴趣包、路由器接收并查询边缘计算路由表以及选择最优服务器卸载计算任务，具体包括如下子步骤：
步骤7.1用户发送计算任务兴趣包，具体为：用户向路由器发送计算任务兴趣包，请求将计算任务卸载至边缘计算服务器，并在用户PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
其中，“计算任务兴趣包”的内容包括“请求运行计算的函数名称，参数文件，参数文件名称及所在节点，随机数”；用户PIT表条目中记录的内容是“计算任务兴趣包中函数名称、随机数，以及接收计算任务兴趣包的下游接口”；
所述“参数文件名称及所在节点”包括参数文件的名称以及持有参数文件的节点名称，若用户直接将运行函数计算所需的参数写入计算任务兴趣包的“参数文件”中，则“参数文件名称及所在节点”内容为空；否则“参数文件”内容为空，用户需要在计算任务兴趣包中声明“参数文件名称及所在节点”；“随机数”用于区分来自不同用户发起的请求；
步骤7.2路由器接收并查询边缘计算路由表，具体为：路由器收到计算任务兴趣包，根据其中的函数名称查询边缘计算路由表，若不存在名称匹配的路由条目，则丢弃计算任务兴趣包，数据通信过程结束；若存在名称匹配的路由条目，则执行步骤7.3；
步骤7.3选择最优服务器卸载计算任务，具体包括如下子步骤：
步骤7.3A路由器查询相应路由条目中记录的所有边缘计算服务器，选择相应转发接口的输出队列未满载，链路连接正常且转发代价最小的边缘计算服务器作为转发目标，将“目标边缘计算服务器”的名称写入计算任务兴趣包，然后将计算任务兴趣包从相应转发接口转发，在路由器PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
其中，路由器PIT表中计算任务兴趣包条目的内容是“计算任务兴趣包中函数名称、随机数，以及接收计算任务兴趣包的下游接口”；
步骤7.3B下一路由器收到计算任务兴趣包，获知其中的“函数名称、目标边缘计算服务器”，在边缘计算路由表中查询与该两项信息均匹配的路由条目，若不存在与该两项信息均匹配的路由条目，则丢弃计算任务兴趣包，数据通信过程结束；否则，路由器将计算任务兴趣包从匹配路由条目对应的转发接口转发出去，在路由器PIT表中记录计算任务兴趣包相关条目；经过多个路由器的转发，计算任务兴趣包最终到达边缘计算服务器；
步骤8、边缘计算服务器获取运行函数计算所需的参数文件，具体包括如下子步骤：
步骤8.1边缘计算服务器查看计算任务兴趣包，若其中“参数文件名称及所在节点”为空，则边缘计算服务器直接从计算任务兴趣包中获取“参数文件”，跳至步骤9；否则继续执行步骤8.2；
步骤8.2边缘计算服务器查看“参数文件名称及所在节点”，向参数文件所在的节点发送“参数请求兴趣包”、目标节点接收参数请求兴趣包，将相应的参数文件封装为“参数内容数据包”并回复给边缘计算服务器、边缘计算服务器从“参数内容数据包”中获取参数文件；
其中，参数请求兴趣包的内容包括“参数文件所在节点名称”以及“请求获取的参数文件名称”；所述“参数内容数据包”与“参数请求兴趣包”的名称相同，转发路径相反；
步骤9、边缘计算服务器运行函数计算并将计算结果数据包回传给用户，具体包括如下子步骤：
步骤9.1边缘计算服务器查看计算任务兴趣包，根据函数名称查询找到对应函数源码，针对步骤8中获取的参数文件，运行用户请求的函数计算，得到函数计算结果；
步骤9.2边缘计算服务器将函数计算结果写入计算结果数据包，计算结果数据包将按照计算任务兴趣包转发的反向路径回传到用户；
其中，计算结果数据包的内容包括“计算任务兴趣包中的函数名称、随机数以及函数运算的数据结果”；
至此，从步骤1到步骤9，完成了基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法。
有益效果
本发明提出的基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，与现有基于TCP/IP的边缘计算路由方法相比，具有如下有益效果：
1.相对于目前边缘计算中通过网络查询获取计算资源与边缘计算服务器映射，所述基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法的优势在于：实现分布式边缘计算服务器的计算资源主动通告，路由器可以在边缘计算路由表中建立计算资源与多个边缘计算服务器的路由映射；
2.相对于目前边缘计算中用户根据计算任务向特定的单一服务器卸载计算任务的方式，所述基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法的优势在于：针对用户计算请求，路由器可以查询边缘计算路由表，在多个可运行计算的服务器中选择最合适的目标卸载计算任务；
3.所述基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，与目前边缘计算任务卸载相比，进一步优化了计算资源发现机制，在路由器中建立边缘计算路由表，实现用户计算任务的最优卸载，进一步降低数据获取时延，实现高效、快速的边缘计算服务。
附图说明
图1为本发明基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法中步骤一网络拓扑及中心服务器设置实例图；
图2为本发明基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法中，步骤七至步骤九的用户发送计算任务兴趣包、路由器接收并查询边缘计算路由表以及选择最优服务器卸载计算任务，边缘计算服务器运行函数计算并将计算结果数据包回传给用户的数据通信过程实例图；
图3为本发明基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法中步骤六使用的Dijkstra最优路径算法的计算流程图；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时论述本发明的技术方案解决的技术问题及有益效果。需要指出的是，所描述的实施例旨在便于对本发明的理解，对本发明不起任何限定作用。
实施例1
本实施例论述的是基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法在边缘计算中的应用。
本实施例基于NDN网络，用户发送兴趣包请求计算任务，路由器转发兴趣包完成计算任务卸载，边缘计算服务器完成函数计算并回复数据包响应请求。本实施例中网络拓扑及节点设置如图1所示；用户发送函数计算请求、路由器查询边缘计算路由表卸载计算任务以及边缘计算服务器运行函数计算并回复数据结果的过程如图2所示。本实施例中，网络各节点命名为“nodex(x＝1,2,3……)”，其中node10为用户，node8、node9为边缘计算服务器，且二者能够运行相同的函数运算。函数计算命名为“funcx(x＝1,2,3……)”。应用本发明基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法的边缘计算实施例如下：
步骤I、设置网络中心服务器并通告全网，具体包括如下子步骤：
步骤I.1在网络中心区域选定中心服务器，本实施例中节点node5被设置为网络中心服务器，网络拓扑及中心服务器的设置如图1所示；
步骤I.2中心服务器广播发送名称为“/Server”的认证兴趣包，认证兴趣包的内容是“节点node5为网络中心服务器”；所有收到认证兴趣包的节点在其FIB表中添加一条名称为“/Server”的路由条目，对应的转发接口为收到认证兴趣包的接口；
步骤II、各路由器建立本地链路状态数据库并告知中心服务器，具体包括如下子步骤：
步骤II.1网络中每两个相邻路由器互相向对方发送一次问候兴趣包，问候兴趣包的名称为“/Hello/nodex”(nodex是本路由器名称，x＝1,2,3……)；问候兴趣包的内容是“本路由器名称信息以及向本路由器发送数据的路由代价”；
步骤II.2各个路由器根据收到的所有问候兴趣包，记录本路由器的所有相邻路由器名称以及对应链路的路由代价，形成本路由器的链路状态数据库；本实施例中路由器node1收到来自路由器node2、node4的问候兴趣包，路由器node1的链路状态数据库列表如表1所示；
表1路由器node1的链路状态数据库列表
| 相邻路由器名称 | 链路的路由代价 |
| node2 | 100 |
| node4 | 110 |
步骤II.3网络中除中心服务器以外的所有路由器，向中心服务器发送一个定位兴趣包，定位兴趣包的名称为“/Server/nodex”(nodex是本路由器名称，x＝1,2,3……)，定位兴趣包的内容包括“本路由器名称、本路由器的链路状态数据库所有信息”；根据之前在各路由器的FIB表中添加的名称为“/Server”的路由条目，定位兴趣包会被转发至中心服务器；
步骤III、中心服务器建立全网拓扑结构图并分发给所有路由器，具体包括如下子步骤：
步骤III.1中心服务器汇总收到的所有定位兴趣包建立全网拓扑结构图；本实施例中全网拓扑结构图的数据信息如表2所示；
表2全网拓扑结构图数据信息表
| 节点名称 | 相邻节点名称 | 链路的路由代价 |
| node1 | node2 | 110 |
| node1 | node4 | 100 |
| node2 | node3 | 100 |
| node2 | node5 | 120 |
| node3 | node6 | 100 |
| node4 | node5 | 130 |
| node4 | node7 | 100 |
| node5 | node6 | 120 |
| node5 | node8 | 100 |
| node6 | node9 | 110 |
| node7 | node8 | 100 |
| node8 | node9 | 130 |
步骤III.2中心服务器向所有路由器广播发送名称为“/NET”的拓扑数据包，拓扑数据包中的内容是“全网拓扑结构图”；
步骤III.3各路由器收到拓扑数据包后，获取全网拓扑结构图并保存；
步骤IV、每个路由器建立一个边缘计算路由表；
具体为：网络中所有路由器均在本路由器中建立一个边缘计算路由表；本实施例中路由器node1建立的边缘计算路由表如表3所示，此时边缘计算路由表中内容为空；
表3路由器node1的边缘计算路由表
| 函数计算名称 | 能运行函数的边缘计算服务器名称 | 转发接口 | 转发代价 |
| 无 | 无 | 无 | 无 |
步骤V、边缘计算服务器广播计算通告兴趣包声明本服务器能够运行函数计算的名称和计算代价；
具体为：本实施例中，边缘计算服务器node8、node9都只能运行一项函数计算，则这两个服务器各发送一个“计算通告兴趣包”；
边缘计算服务器node8向网络中所有路由器广播“计算通告兴趣包”，“计算通告兴趣包”的名称为“/Producer/node8/func1”，计算通告兴趣包的内容是“边缘计算服务器的名称为node8，本边缘计算服务器可运行函数计算的名称为func1，运行该函数的计算代价为100”；
边缘计算服务器node9向网络中所有路由器广播“计算通告兴趣包”；“计算通告兴趣包”的名称为“/Producer/node9/func1”，计算通告兴趣包的内容是“边缘计算服务器的名称为node9，本边缘计算服务器可运行函数计算的名称为func1，运行该函数的计算代价为120”；
本实施例中，函数func1功能是识别图片中的文字，运行该函数所需参数是“图片文件”，函数运行结果是“包含被识别文字的文本文档”；
步骤VI、路由器计算向边缘计算服务器卸载计算任务的转发代价并向边缘计算路由表中添加条目，具体包括如下子步骤：
步骤VI.1路由器从计算通告兴趣包中获取函数名称及对应的边缘计算服务器名称，结合路由器中存储的全网拓扑结构图，确定本路由器和边缘计算服务器的位置，计算从路由器出发，转发函数请求到达边缘计算服务器的转发接口及对应转发代价；
本实施例中，以路由器node1为例，node1收到来自边缘计算服务器node8的计算通告兴趣包，得知“边缘计算服务器名称为node8，可运行函数计算的名称为func1，所需的计算代价为100”；同时，node1收到来自边缘计算服务器node9的计算通告兴趣包，得知“边缘计算服务器名称为node9，可运行函数计算的名称为func1，所需的计算代价为110”；
路由器node1需要分别计算以边缘计算服务器node8为转发目标的计算任务转发代价，以及以边缘计算服务器node9为转发目标的计算任务转发代价；
步骤6.1具体实施时，所述路由代价Cr使用Dijkstra最优路径算法计算得到；其中Dijkstra算法的计算流程图如图3所示；
以边缘计算服务器node8为转发目标，根据全网拓扑结构图提供的节点间链路状态信息，利用Dijkstra算法计算得到从node1到node8的最小路由代价是300，对应的路径是node1→node4→node7→node8，加上边缘计算服务器node8的函数计算代价，则以边缘计算服务器node8为转发目标，相应的转发代价为400，转发接口为接口1，下一跳路由器为“node4”；
以边缘计算服务器node9为转发目标，根据全网拓扑结构图提供的节点间链路状态信息，利用Dijkstra算法计算得到从node1到node9的最小路由代价是420，对应的路径是node1→node2→node3→node6→node9，加上边缘计算服务器node9的函数计算代价，则以边缘计算服务器node9为转发目标，相应的转发代价为530，转发接口为接口2，下一跳路由器为“node2”；
步骤VI.2路由器向边缘计算路由表中添加关于步骤VI.1获取的“函数名称”对应的函数和边缘计算服务器的路由条目；
本实施例中，以路由器node1为例，node1收到具有相同函数名称但边缘计算服务器名称不同的2个计算通告兴趣包，则需向该函数名称对应的路由条目中添加2个边缘计算服务器名称，并计算转发代价，添加转发接口，node1新增路由条目的边缘计算路由表如表4所示；
表4路由器node1新增路由条目的边缘计算路由表
步骤VII、用户发送计算任务兴趣包、路由器接收并查询边缘计算路由表以及选择最优服务器卸载计算任务，具体包括如下子步骤：
步骤VII.1用户node10向路由器node1发送名称为“/func1”的计算任务兴趣包，请求将计算任务卸载至边缘计算服务器，在用户PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
其中，“计算任务兴趣包”的内容包括“请求运行计算的函数名称为func1，参数文件为“图片Picture”，“参数文件名称及所在节点”为空，随机数为8720”；PIT表中计算任务兴趣包条目的内容是“计算任务兴趣包中函数名称func1、随机数8720，以及接收计算任务兴趣包的下游接口为本地”；用户node10记录的PIT表条目如表5所示；
表5用户node10新增条目的PIT表
| 请求函数名称 | 随机数 | 下游接口 |
| func1 | 8720 | 本地 |
步骤VII.2路由器node1收到计算任务兴趣包，根据计算任务兴趣包中的函数名称“func1”查询边缘计算路由表，本实施例中node1的边缘计算路由表中存在函数名称匹配的路由条目；
步骤VII.3A路由器node1查询相应函数名称的路由条目下记录的所有边缘计算服务器，本实施例中路由器node1中所有转发接口的输出队列均未满载且链路连接均正常，对比发现到达边缘计算服务器node8的转发代价最小；node1将边缘计算服务器名称“node8”写入计算任务兴趣包作为“目标边缘计算服务器”，并将计算任务兴趣包通过“接口1”转发到node4，在PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
其中，路由器的PIT表中记录条目的内容是：“计算任务兴趣包中的函数名称func1，随机数8720，对应下游接口为连接路由器node10的接口”；
步骤VII.3B下一路由器node4收到计算任务兴趣包，根据其中“函数名称func1、目标边缘计算服务器node8”查询边缘计算路由表，确定与函数名称匹配的路由条目，查询相应目标边缘计算服务器对应的转发接口，将计算任务兴趣包转发到node7，在PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
其中，路由器node4的PIT表中记录条目的内容是：“计算任务兴趣包中的函数名称func1，随机数8720，对应的下游接口为连接路由器node1的接口”；
下一跳路由器node7收到计算任务兴趣包，根据其中“函数名称func1、目标边缘计算服务器node8”查询边缘计算路由表，将计算任务兴趣包转发到node8，在PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
步骤VIII、边缘计算服务器获取运行函数计算所需的参数文件，具体为：
步骤VIII.1边缘计算服务器node8收到计算任务兴趣包，其中“参数文件名称及所在节点”为空，则node8直接从计算任务兴趣包中获取参数文件，即“图片Picture”，执行步骤VIIII；
步骤VIIII、边缘计算服务器运行函数计算并将计算结果数据包回传给用户，具体包括如下子步骤：
步骤VIIII.1边缘计算服务器node8查询计算任务兴趣包，根据函数名称查询找到对应函数源码，针对步骤VIII中获取的参数文件“图片Picture”运行函数func1，即识别图片文字，识别图片中文字为“xx大学信息与电子学院”；
步骤VIIII.2边缘计算服务器node8将函数计算结果写入计算结果数据包并回传给用户；
其中，计算结果数据包的名称为“/func1”，内容包括“运行计算任务的函数名称func1，随机数8720，以及函数运算结果‘xx大学信息与电子学院’文本文档”；
具体实施时，步骤VIIII.2中边缘计算服务器将函数计算结果写入计算结果数据包，计算结果数据包按照计算任务兴趣包转发的反向路径回传到用户的过程中，路由器接收计算结果数据包，根据其中的“函数名称func1”以及“随机数8720”匹配PIT条目，将计算结果数据包转发到匹配PIT条目记录的下游接口；经过多个路由器转发，最终用户接收计算结果数据包，获取数据内容即函数计算结果，具体为：
中间路由器node7、node4、node1依次接收计算结果数据包，根据其中的“函数名称func1”以及“随机数8720”匹配本地记录的PIT条目，将计算结果数据包转发到匹配PIT条目中记录的下游接口；经过多个路由器转发，计算结果数据包按照计算任务兴趣包转发的反向路径回传到用户node10；用户node10接收计算结果数据包，获取文字识别结果；
至此，基于NDN的边缘计算路由表建立与使用过程结束。
本实施例中用户发送函数计算请求、路由器查询边缘计算路由表并卸载计算任务以及边缘计算服务器运行函数计算并回传数据结果的通信过程如图2所示。
本实施例中使用的多种兴趣包命名实例如表6所示；多种数据包命名实例如表7所示；
表6多种兴趣包命名实例表
| 兴趣包类型 | 发送方 | 接收方 | 命名实例 |
| 认证兴趣包 | 中心服务器 | 所有节点 | /Server |
| 问候兴趣包 | 路由器 | 相邻路由器 | /Hello/node1 |
| 定位兴趣包 | 路由器 | 中心服务器 | /Server/node1 |
| 计算通告兴趣包 | 边缘计算服务器 | 路由器 | /Producer/node8/func1 |
| 计算任务兴趣包 | 用户 | 边缘计算服务器 | /func1 |
表7多种数据包命名实例表
| 数据包类型 | 发送方 | 接收方 | 命名实例 |
| 拓扑数据包 | 中心服务器 | 所有路由器 | /NET |
| 计算结果数据包 | 边缘计算服务器 | 用户 | /func1 |
本实施例描述了基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法在边缘计算中的应用，这种方法改善了目前边缘计算中计算资源与边缘计算服务器绑定的资源发现方式，以及目标服务器单一的计算卸载方式；
本实施例通过边缘计算服务器发布函数计算名称，路由器建立边缘计算路由表包含指向多个边缘计算服务器的多条转发路由的方法，能够实现网络中计算资源主动发现以及计算任务最优卸载。通过分布式边缘计算服务器的计算资源主动通告，路由器建立边缘计算路由表来记录函数计算与多个边缘计算服务器之间的路由映射，并在收到用户的计算任务请求之后，查询边缘计算路由表，从多个边缘计算服务器中选择最合适的目标服务器来卸载计算任务。从而进一步降低函数计算服务的数据获取时延，对高难度和算法复杂的边缘计算尤为适用。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：所述方法依托的命名数据网络包含若干节点；其中，节点包括边缘计算服务器、用户、路由器以及中心服务器；
所述边缘计算路由表建立与使用方法，包括：1)设置中心服务器并通告全网；2)各路由器建立本地链路状态数据库并告知中心服务器；3)中心服务器建立全网拓扑结构图并分发给所有路由器；4)每个路由器建立一个边缘计算路由表；5)边缘计算服务器广播计算通告兴趣包声明本服务器能够运行函数计算的名称和计算代价；6)路由器计算向边缘计算服务器卸载计算任务的转发代价并向边缘计算路由表中添加条目；7)用户发送计算任务兴趣包、路由器接收并查询边缘计算路由表以及选择最优服务器卸载计算任务；8)边缘计算服务器获取运行函数计算所需的参数文件；9)边缘计算服务器运行函数计算并将计算结果数据包回传给用户，具体包括以下步骤：
步骤1、设置中心服务器并通告全网，具体包括如下子步骤：
步骤1.1在网络中心区域选定中心服务器；
步骤1.2中心服务器向全网广播认证兴趣包，所有收到认证兴趣包的节点在其FIB表中添加一条关于中心服务器的路由条目，该路由条目的转发接口为收到认证兴趣包的接口；
步骤2、各路由器建立本地链路状态数据库并告知中心服务器；
步骤2，具体包括如下子步骤：
步骤2.1网络中每两个相邻路由器互相向对方发送一次问候兴趣包；
其中，所述问候兴趣包中的内容是“本路由器的名称以及向本路由器发送数据的路由代价”；
所述步骤2.1用来确定网络中相邻路由器的名称及链路状态；
步骤2.2各路由器根据收到的所有问候兴趣包，记录本路由器的所有相邻路由器的名称以及对应链路的路由代价，形成本路由器的链路状态数据库；
步骤2.3网络中除中心服务器以外的所有路由器向中心服务器发送定位兴趣包；
其中，定位兴趣包的内容是“本路由器名称、本路由器的所有相邻路由器名称以及对应链路的路由代价”即本地路由器的链路状态数据库的所有信息；
步骤3、中心服务器建立全网拓扑结构图并分发给所有路由器，具体包括如下子步骤：
步骤3.1中心服务器汇总收到的所有定位兴趣包，建立全网拓扑结构图；
其中，全网拓扑结构图的内容包括“本网络中所有路由器的名称及路由器之间的连接关系和对应链路的路由代价”；
步骤3.2中心服务器以“全网拓扑结构图”为内容封装拓扑数据包，并向所有路由器广播发送封装好的拓扑数据包；
步骤3.3各路由器收到拓扑数据包后，获取全网拓扑结构图并保存；
步骤4、每个路由器建立一个边缘计算路由表；
其中，“边缘计算路由表”，包括“函数名称、能运行该函数的边缘计算服务器名称、到达该边缘计算服务器的本地转发接口和相应转发代价”；
步骤5、边缘计算服务器广播计算通告兴趣包声明本服务器能够运行函数计算的名称和计算代价，具体为：边缘计算服务器针对本服务器可运行的每项函数计算，向网络中所有的路由器广播发送一个或多个“计算通告兴趣包”，即：若边缘计算服务器能够运行多项函数计算，则该服务器发送多个“计算通告兴趣包”，否则边缘计算服务器只能运行一项函数计算，则该服务器发送一个“计算通告兴趣包”；
其中，“计算通告兴趣包”的内容包括“本边缘计算服务器的名称、本边缘计算服务器能运行计算的函数名称以及运行该函数的计算代价Cc”；
其中，Cc取值范围为1～1000；
步骤6、路由器计算向边缘计算服务器卸载计算任务的转发代价并向边缘计算路由表中添加条目，具体包括如下子步骤：
步骤6.1路由器从计算通告兴趣包中获取函数名称及对应的边缘计算服务器名称，结合本路由器中存储的全网拓扑结构图，确定本路由器和边缘计算服务器的位置，计算从本路由器出发，转发函数请求到达边缘计算服务器的转发接口及对应转发代价；
其中，转发代价通过计算路由代价Cr以及Cf＝Cr+Cc实现；
Cf代表转发代价，其取值范围为0～2000，Cr代表将函数请求从本地路由器转发到边缘计算服务器的路由代价，其取值范围为0～1000；
其中，计算路由代价Cr，根据全网拓扑结构图中节点连接情况和链路路由代价，使用Dijkstra最优路径算法计算得到；
所述Cc指的是计算通告兴趣包中声明的边缘计算服务器运行该函数的计算代价；
步骤6.2路由器向本地的边缘计算路由表中添加关于步骤6.1获取的“函数名称”对应的函数和边缘计算服务器的路由条目；
其中，新增路由条目中“函数名称”即为计算通告兴趣包中声明的函数名称；“边缘计算服务器名称”即计算通告兴趣包中声明的边缘计算服务器名称；“本地转发接口”即Dijkstra算法计算得到的转发路径在本路由器的转发接口；“转发代价”即步骤6.1中计算得到的转发代价Cf；
特别注意的是，若路由器收到具有相同函数名称但边缘计算服务器名称不同的多个计算通告兴趣包，则需向该函数名称代表的路由条目中添加多个边缘计算服务器名称，并计算相应的转发代价，添加转发接口；
步骤7、用户发送计算任务兴趣包、路由器接收并查询边缘计算路由表以及选择最优服务器卸载计算任务，具体包括如下子步骤：
步骤7.1用户发送计算任务兴趣包，具体为：用户向路由器发送计算任务兴趣包，请求将计算任务卸载至边缘计算服务器，并在用户PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
其中，“计算任务兴趣包”的内容包括“请求运行计算的函数名称，参数文件，参数文件名称及所在节点，随机数”；用户PIT表条目中记录的内容是“计算任务兴趣包中函数名称、随机数，以及接收计算任务兴趣包的下游接口”；
所述“参数文件名称及所在节点”包括参数文件的名称以及持有参数文件的节点名称，若用户直接将运行函数计算所需的参数写入计算任务兴趣包的“参数文件”中，则“参数文件名称及所在节点”内容为空；否则“参数文件”内容为空，用户需要在计算任务兴趣包中声明“参数文件名称及所在节点”；“随机数”用于区分来自不同用户发起的请求；
步骤7.2路由器接收并查询边缘计算路由表，具体为：路由器收到计算任务兴趣包，根据其中的函数名称查询边缘计算路由表，若不存在名称匹配的路由条目，则丢弃计算任务兴趣包，数据通信过程结束；若存在名称匹配的路由条目，则执行步骤7.3；
步骤7.3选择最优服务器卸载计算任务，具体包括如下子步骤：
步骤7.3A路由器查询相应路由条目中记录的所有边缘计算服务器，选择相应转发接口的输出队列未满载，链路连接正常且转发代价最小的边缘计算服务器作为转发目标，将“目标边缘计算服务器”的名称写入计算任务兴趣包，然后将计算任务兴趣包从相应转发接口转发，在路由器PIT表中记录计算任务兴趣包的相关条目；
其中，路由器PIT表中计算任务兴趣包条目的内容是“计算任务兴趣包中函数名称、随机数，以及接收计算任务兴趣包的下游接口”；
步骤7.3B下一路由器收到计算任务兴趣包，获知其中的“函数名称、目标边缘计算服务器”，在边缘计算路由表中查询与该两项信息均匹配的路由条目，若不存在与该两项信息均匹配的路由条目，则丢弃计算任务兴趣包，数据通信过程结束；否则，路由器将计算任务兴趣包从匹配路由条目对应的转发接口转发出去，在路由器PIT表中记录计算任务兴趣包相关条目；经过多个路由器的转发，计算任务兴趣包最终到达边缘计算服务器；
步骤8、边缘计算服务器获取运行函数计算所需的参数文件，具体包括如下子步骤：
步骤8.1边缘计算服务器查看计算任务兴趣包，若其中“参数文件名称及所在节点”为空，则边缘计算服务器直接从计算任务兴趣包中获取“参数文件”，跳至步骤9；否则继续执行步骤8.2；
步骤8.2边缘计算服务器查看“参数文件名称及所在节点”，向参数文件所在的节点发送“参数请求兴趣包”、目标节点接收参数请求兴趣包，将相应的参数文件封装为“参数内容数据包”并回复给边缘计算服务器、边缘计算服务器从“参数内容数据包”中获取参数文件；
其中，参数请求兴趣包的内容包括“参数文件所在节点名称”以及“请求获取的参数文件名称”；所述“参数内容数据包”与“参数请求兴趣包”的名称相同，转发路径相反；
步骤9、边缘计算服务器运行函数计算并将计算结果数据包回传给用户，具体包括如下子步骤：
步骤9.1边缘计算服务器查看计算任务兴趣包，根据函数名称查询找到对应函数源码，针对步骤8中获取的参数文件，运行用户请求的函数计算，得到函数计算结果；
步骤9.2边缘计算服务器将函数计算结果写入计算结果数据包，计算结果数据包将按照计算任务兴趣包转发的反向路径回传到用户；
其中，计算结果数据包的内容包括“计算任务兴趣包中的函数名称、随机数以及函数运算的数据结果”。
2.根据权利要求1所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：步骤1.1中，中心服务器的作用是汇总网络全局拓扑，并在数据通信过程中作为路由器使用。
3.根据权利要求2所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：步骤1.2中，接口是指硬件接口，即主机或路由器的对外接口，通过接口接入其他硬件设备；所述其他硬件设备是相对于当前节点主机的硬件设备，即除当前节点主机以外的硬件设备。
4.根据权利要求3所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：所述步骤1.2用于保证网络中所有除中心服务器以外的节点对中心服务器是可达的。
5.根据权利要求4所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：步骤2中，告知中心服务器即向中心服务器发送定位兴趣包。
6.根据权利要求5所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：步骤2.1中，相邻路由器的含义是“如果两个路由器之间的通信不需要经过另一个路由器，那么这两个路由器就是相邻的”。
7.根据权利要求6所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：步骤2.2中，链路状态是指“本路由器的相邻路由器以及对应链路的路由代价”，链路状态数据库的内容包括本路由器的所有相邻路由器的名称以及对应链路的路由代价。
8.根据权利要求7所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：所述步骤3.2和步骤3.3用于保证网络中所有路由器都能够获得全网拓扑结构图。
9.根据权利要求8所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：步骤4中对应每项函数，网络中存在多个能运行该函数的边缘计算服务器，因此边缘计算路由表中对应存在多个转发接口，对应每个边缘计算服务器的转发接口必须声明其转发代价。
10.根据权利要求9所述的一种基于NDN的边缘计算路由表建立与使用方法，其特征在于：步骤5中边缘计算服务器是融合数据路由、计算以及存储能力为一体的高级路由器。
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